A General Electric cég GEnx hajtóműve
A Rolls-Royce cég magáévá tette az Európai Aeronautikai Kutatások Tanácsadó Testülete (Advisory Council for Aeronautical Research in Europe - ACARE) (Az ACARE egy negyventagú szervezet, amely kormányzati ügynökségeket és magántársaságokat foglal magába.) által maghatározott célkitűzéseket, melyek szükségesnek tartják a bázisévként kijelölt 2000-hez viszonyítva 2020-ra az alábbiak elérését:
Az 50 %-os tüzelőanyag fogyasztás-csökkentésből azonban csak 20 % esik a hajtóművekre, 20 % a sárkány szerkezetekre és 10 % pedig a légi forgalomirányítás hatékonyságára (például a fel- és leszállási pontok közötti közvetlenebb útvonalakon történő repülések biztosítása).
Az európai MTU hajtóműgyártó társaság azonban ezzel ellentétben a saját u.n. Tiszta Repülőhajtómű (Clean Air Engine - CLAIRE) stratégiáját javasolja, amely megcélozza egyedül a hajtómű tüzelőanyag fogyasztásának kumulatív 30 %-os csökkentését 2035-ig.
A CLAIRE stratégia három fázist foglal magába:
A "Tiszta Ég"-hez (Clean Sky) hasonló európai programok szintén dollármilliókat fordítanak a környezetvédelmi kutatásokra. A NASA 2035-ig történő végrehajtásra tervezett Szubszonikus Rögzített Szárny (Subsonic Fixed Wing - SFW) elnevezésű kisebb programja egy agresszív zaj- és emisszió csökkentést irányoz elő integrált sárkány - és propulziós rendszerek alkalmazásával.
A hajtóműtervezők olyan szennyezőanyagok csökkentésére összpontosítják erőfeszítéseiket, mint a szmog fő komponensét képező nitrgénoxid (NOx), a szénmonoxid (CO), az elégetlen szénhidrogének, a füst és a széndioxid (CO2).
Bár a CO2 emisszió az ICAO Repülési és Környezetvédelmi Bizottsága (Committee on Aviation and Environmental Protection - CAEP) részéről nincs szabályozva, a fajlagos tüzelőanyag fogyasztás (Specific Fuel Consumption - SFC) csökkentése egyenértékű a CO2 csökkentésével. Az NOx csökkentésére a hajtómű társaságok az égési hőmérséklet és az égésidő szabályozását biztosító technológiákat alkalmazzák.
Robert Nuttall, a Rolls-Royce cég stratégiai marketing elnökhelyettese szerint a fajlagos tüzelőanyag fogyasztás (SFC) évenként mintegy 1 %-kal csökken. A légiforgalmi társaságok üzemeltetési költségeinek mintegy felét kitevő jelentős tüzelőanyag kiadások - különösen figyelembe véve a tüzelőanyag árak gyorsuló növekedését - szintén ösztönzik a kutatások fokozását ezen a területen.
A General Electric cég GEnx hajtóműve
A hőhatásfok
Minél nagyobb a nyomás, annál jobb a hatásfok. Miután azonban a nyomás és a hőmérséklet emelkedésével az NOx emissziók növekednek, megfelelő égőtér technológiák alkalmazására van szükség. A Rolls-Royce cég kritikus fontosságú technológiákként említi azokat, melyek minimalizálják a hűtőlevegő szükségességét, megjavítják a lapátok hűtőkonfigurációját, valamint a szerkezeti anyagok és a hőszigetelő bevonatok hőállóképességét.
A Rolls-Royce a Trent 700 típusú hajtóműtől a Trent 1000 típusú hajtóműig 33-ról 50-re növelte a teljes nyomásviszony értékét. A cég számítógépeket is használ, hogy megjavítsa egyedileg és egymáshoz viszonyítva a kompresszor lapátok konstrukcióját.
A General Electric cég szintén előnybe részesíti a magas nyomásviszonyokat. A nyomásviszony értéke egyedül a GEnx belső hajtóműnél 23:1. A teljes nyomásviszony - a ventilátor előtti szabad levegőáramlás nyomásától a nagynyomású kompresszor végén kilépő levegőáramlás nyomásáig - Steve Csonka szerint eléri a 45-öt.
A GE a kompresszorlapátok aerodinamikájának megjavítására összpontosít, hogy kiküszöbölje a konstrukcióban az u.n. "veszteség mechanizmusokat". A cég bevezette a fellapátozott tárcsa (bladed disk - "blisk") konstrukciót, melynek lényege az, hogy a lapátok a tárcsával együtt egy darab anyagból kerülnek legyártásra, vagy dörzshegesztéssel vannak hozzáerősítve a tárcsához. Ez a szerkezeti megoldás megnöveli a szilárdságot és a tartósságot, s ugyanakkor a tárcsa és a lapátok közötti illesztési rések kiküszöbölésével csökkenti az aerodinamikai veszteségeket. A konstrukciós megoldás hátránya az, hogy az üzemeltetőknek új javítási technikákat kell alkalmazniuk a lapátok javítására, vagy cseréjére, amennyiben azok üzemeltetés közben megsérülnek.
Az előnyök és a költségkihatások mérlegelése után a GE cég úgy döntött, hogy "blisk" konstrukciót fog alkalmazni a GEnx hajtóművek 10 kompresszorfokozat közül három fokozatnál. Steve Csonka szerint még ilyen szerénymértékű alkalmazásánál is a "blisk" konstrukció hozzájárult a hajtómű összhatásfokának növeléséhez. A CF6 hajtóműhöz viszonyítva a GEnx hajtómű szerkezeti összetevőinek száma jelentősen lecsökkent, s e csökkenés 30 %-a elsősorban a kompresszor új konstrukciós kialakításának köszönhető.
TAPS égőtér
A GEnx hajtóműben TAPS (Twin Annular Pre-mixing Swirlers - kettős gyűrűs előkeverő örvénykeltőkkel ellátott) tüzelőanyag fúvókákat használnak, amelyek biztosítják az égési zónába belépő tüzelőanyag és levegő megfelelő keverékét. Az égőtérben körvonal mentén elhelyezett 22 TAPS tüzelőanyag fúvóka van beépítve. Az örvénylési folyamat egy stabil, szegény tüzelőanyag-levegő keveréket hoz létre, amely égéskor a hagyományos égőterekhez viszonyítva biztosítja egy alacsonyabb hőmérséklet fenntartását.
A TAPS örvénykeltők a tüzelőanyag fúvókák körül apró örvényeket gerjesztenek az égőtérben, s úgy manipulálják a kompresszorból érkező levegőt, hogy biztosítva legyen a szegény keverékkel történő égés folyamatos fenntartása. A tüzelőanyag mennyiség minimalizálása lehetővé teszi a keverék számára, hogy alacsonyabb hőmérsékleten égjen. Ez azt eredményezi, hogy a GEnx hajtómű nitrogénoxid (NOx) emissziója a GE cég CF6 hajtóművéhez képest több mint 30 %-kal kisebb és mintegy 50 %-kal a nemzetközi szabványok által megkövetelt érték alatt marad.
A Trent 1000 hajtómű égőterének kibélelésére használt hőálló csempék szintén csökkentik az NOx emisszióját. Robert Nuttall elnökhelyettes szerint a csempék alkalmazása azt eredményezi, hogy kevesebb hűtőlevegő szükséges az égőtér hűtésére. Ez azt jelenti, hogy ugyanazon mennyiségű tüzelőanyag egy nagyobb mennyiségű levegőben ég el, s ez csökkenti az égési hőmérséklet csúcsértékét.
Turbinák
A GEnx hajtóműben a magasnyomású és az alacsonynyomású forgórészek egymással ellentétes irányban forognak. Az előny a két forgórész kölcsönhatásából származik. Az ellentétes irányú forgás a gázáramlás kevesebb manipulációját igényli a magasnyomású turbina kilépőfelülete és az alacsonynyomású turbina belépőfelülete közötti áramlásszakaszon. A tervezők kevesebb, vagy kisebb áramláselfordítást biztosító álló terelőlapátot alkalmazhatnak a gázáramlás irányítására.
A GE cég számítógépeket is használ a turbinákon áthaladó gázáramlás elemzésére. A tervezők jelentős munkát végeztek például a lapáttövek záró falai kontúrjainak kialakítására.
Steve Csonka szerint jelenleg a tervezők úgy alakítják ki a lapáttövek záró falainak kontúrjait, hogy azok "csaknem pontosan" illeszkedjenek a turbinalapátok között áthaladó gázáramlás mezőjéhez. E megoldás biztosítja az aerodinamikai veszteségek csökkentését és növeli a lapátok hatékonyságát.
A Trent 1000 és a GEnx hajtóművek "csipkézést", vagy "nyílfogazást" alkalmaznak a hajtóműgondolák kilépő élein a hajtómű zajszintjének csökkentésére. A fogazott kilépő élek segítik a belső hajtómű gázáramának és a külső kontúr (bypass) levegőáramának előkeverését még mielőtt azok kilépnének a repülőgépből. A GEnx várhatóan 50 %-kal fogja csökkenteni a zajszintet a CF6 hajtóműhöz képest.
Üzembentarthatóság
Bár a "környezetbarátság" nincs közvetlen kapcsolatban az üzembentarthatósággal az új ("zöld") hajtóműveket úgy tervezték, hogy csökkenjenek az üzembentartás költségkihatásai. Így például a hajtóművek gyűjtik és jelentik az üzemképességre vonatkozó adatokat, ami csökkenti az üzembentartási költségeket. A Trent 1000 képes jelenteni az adatokat a földre, míg a repülőgép repül. A Trent 1000 kiépítés nélkül mintegy 20 000 órát maradhat a repülőgépen.
A Trent "bélelt égéstere" szintén úgy van kialakítva, hogy biztosítsa a tartósság növelését és az üzembentartási költségek csökkentését. A magas hőmérsékletnek kitett belső felületek 51-153 mm (2-6 hüvelyk) méretű egymást átfedő hőálló csempékkel vannak kibélelve. E bélés képes a hőciklusokkal együtt tágulni és zsugorodni, s védi az égőtér fémgyűrűit a hő közvetlen hatásától és csökkenti a repesztő feszültséget.
Sérülések esetén a csempék gyorsan cserélhetők. Ez előnyösebb, mint a repedések lehegesztése az égőtérben.
A GE cég új hajtóműve számos egyéb üzembentartási előnnyel is rendelkezik. A cég azt jósolja, hogy az új hajtómű kiépítés nélkül 20 %-kal hosszabb ideig maradhat a repülőgépen, mint elődje, a CF6 hajtómű. Az alkatrészek száma minimalizálva van. Az égőtér speciális hűtőrendszere és a turbina szerkezeti részein alkalmazott új hőálló hőszigetelő bevonatok növelik az élettartamot. A GE 90 hajtómű ventillátorfokozatával nyert korábbi tapasztalatok megalapozták a GEnx hajtómű ventillátor moduljának hosszú élettartama iránti bizalmat. A GE cég kihangsúlyozza a hajtómű konstrukció modulrendszerű felépítését és a ventillátormodul könnyű leszerelhetőségét a propulzorról (propulzor = a ventillátormodul nélküli hajtómű). Mindez megkönnyíti a propulzor cseréjét a repülőgépen és csökkenti a repülőgép propulzor csere miatti állásidejét.
A GEnx konstrukciója a következő-generációs diagnosztikai rendszereket is magába foglalja, beleértve az u.n. "reasoner" (gondolkodó) rendszert, amely képes a hajtómű működésében bekövetkező anomáliák (rendellenességek) észlelésére és jelentésére.
E hajtómű-információs rendszer, sürgős esetekben automatikusan rádió információs adatokat ad le a földre a repülőgép ACARS adatkapcsolati rendszerén keresztül. A GE cég kihangsúlyozza, hogy a GEnx hajtómű diagnosztikai képességének fokozását nem elsősorban a szenzorok számának növelése, hanem a fedélzeti és a földön telepített rendszerek számára kialakított megnövelt kapacitású adatfeldolgozás és fejlett analitikai teljesítőképesség biztosítja.
Egy turbóventillátoros hajtóműnél a ventillátor méretének növelésekor növekszik a tüzelőanyag felhasználás hatékonysága. A ventillátor méretének növelésekor azonban a hajtóműgondola aerodinamikai ellenállása és a hajtómű tömege is növekszik, s végül is elérhet egy olyan hátrányos szintet, melynél a tüzelőanyag felhasználás hatékonyságának növekedéséből adódó előny megszűnik. A ventillátor és az alacsonynyomású turbina közé beiktatott fogaskerekes reduktor azonban lehetővé teszi egy sokkal hatékonyabb ventillátor és egy sokkal könnyebb és nagyobb fordulatszámú alacsonynyomású turbina alkalmazását. A ventillátor mintegy 30 %-kal lassabban működik, mint ahogy ezt várhatni lehetne egy összehasonlítható méretű hagyományos ventillátornál. Az alacsonynyomású kompresszor és az alacsonynyomású turbina azonban háromszor gyorsabban működik egy összehasonlítható turbinaventillátoros hajtómű azonos berendezéseihez képest.
A 90 700-108 900 N (20 000 - 24 000 lb) tolóerő kategóriába tartozó GTF hajtómű egyik változata 1829-1880 mm (72-74 hüvelyk) ventillátor-átmérővel rendelkezik, míg egy hagyományos szerkezeti felépítésű, reduktor rendszer nélküli, 104 000-136 080 N (23 000 - 30 000 lb) tolóerő kategóriába tartozó P & W hajtómű Paul Adams szerint valószínűleg egy 1651 mm (65 hüvelyk) körüli ventillátor-átmérővel rendelkezne.
Ugyanazon optimalizált lapátvég sebesség mellett azonban minél nagyobb a ventillátor átmérője annál kisebb a fordulatszám. Éppen ezért a hagyományos turbóventillátoros hajtóműveknél a ventillátor-átmérő növekedésekor mind kisebb lesz az alacsonynyomású turbina fordulatszáma. A ventillátor és a turbina szétkapcsolása az alacsonynyomású forgórész tengelyén azonban lehetővé teszi, hogy az alacsonynyomású turbina és az alacsonynyomású kompresszor sokkal gyorsabban forogjon, mint a ventillátor. Az alacsonynyomású turbina nagyobb fordulatszámon történő üzemelése megnöveli a turbina hatékonyságát és csökkenti a turbinafokozatok számát. Míg egy összehasonlítható hagyományos hajtóműnek hét alacsonynyomású turbinafokozatra van szüksége, a GTF alacsonynyomású turbinafokozatainak száma Paul Adams szerint háromra csökkenthető. Hasonlóképpen a hajtómű alacsonynyomású kompresszorfokozatainak száma is öt helyett inkább három lehet. Bár a P & W cég reduktoros turbóventillátoros hajtóművének szerkezeti felépítése a hagyományos hajtómű konstrukciójához képest kiegészül egy fogaskerekes reduktor rendszerrel, ennek költségkihatása kisebb, mint azok a kiadások, melyek a hagyományos hajtómű alacsonynyomású forgórészének fentebb ismertetett problémáival kapcsolatosak.
A cég úgy véli, hogy a GTF konfiguráció bevezetésével egy "lépésváltás" fog bekövetkezni mind a tüzelőanyag felhasználás hatékonyságának növelésében, mind pedig a zajszint csökkentésében. A cég állítja, hogy a GTF konfiguráció az egyedüli olyan műszaki megoldás, amely egyidejűleg képes biztosítani a tüzelőanyag fogyasztás megjavítását és a zajszint csökkentését. A Paul Adams szerint a GTF hajtómű a tüzelőanyag felhasználás vonatkozásában 12 %-kal hatékonyabb, mint az azonos tolóerő kategóriába tartozó bármely jelenlegi sorozatgyártású hajtómű. A GTF hajtómű egy gazdag-szegény gázkeverék átalakító "gyorshűtő rendszert" is használ az égőtérben a nitrogénoxid emissziók (NOx emissions) csökkentésére. Az égőtér elsődleges zónájában a gázkeverék gazdag, majd a hűtőlevegővel keveredve gyorsan lehűl, ami biztosítja a NOx képződés minimalizálását. Adams azt jósolja, hogy a NOx emissziók 50 %-kal a jelenlegi CAEP 6 szabványban előírt érték alatt lesznek.
Az üzembentarthatóság vonatkozásában kedvező, hogy a GTF hajtómű kevésbé érzékeny az idegen tárgyak által okozott sérülésekre, mivel a ventillátor kisebb fordulatszámokon üzemel. A hajtóművet úgy tervezik, hogy 30 000 óránál hosszabb ideig maradhat beépítve a repülőgépen.
A BWB konfigurációjú repülőgép